
峰值電流模式的工作原理就是外環輸出電壓的反饋信號,作為內環電流信號的給定,送到PWM比較器的輸入端,每個開關周期,峰值電流信號RS*IS從初始值增加到等于(頂到)輸出電壓的反饋信號值VCOMP,主開關管關斷,從而調節系統的占空比,在輸入電壓和輸出電流變化時,維持輸出電壓的穩定,如圖1所示。

圖1? 峰值電流模式控制器AOZ1284
例如,BUCK變化器輸出電壓的誤差運算放大器,通常其輸出電壓有動態調節的范圍,也就是對應著最小輸出負載電流的最小電壓值VCOMP(Min),以及對應著最大輸出負載電流的最大電壓值VCOMP(Max)。如果輸出電流增加到過載,超出系統設計的最大輸出電流,電壓誤差運算放大器的輸出電壓就會增加到最大輸出電壓值VCOMP(Max)并保持不變,如圖2所示。系統每一次開關工作,峰值電流檢測信號的電壓值RS*IS,每一次頂到VCOMP(Max) 值,主開關管就會關斷,形成經典的逐個脈沖限流保護(Cycle by Cycle Current Limit),也稱為脈寬限流保護,這種保護功能是峰值電流模式固有的優點。

圖2? 輸出過載的電感電流波形
為了防止誤觸發,峰值電流模式系統都有前沿消隱時間功能Leading Edge Blanking LEB,例如,如果LEB為200nS,就是在200nS時間內,系統對檢測的電流信號不起作用。?
在正常工作時,電感的激磁和去磁電壓分別為:


如果輸出短路,輸出電壓幾乎為0,由上面公式:電感的激磁電流變化率di/dt急劇變大,電感的去磁電流變化率di/dt變得非常緩慢,因此,每一個開關周期結束后,電感的起始激磁電流不斷增加,一點一點的頂(拱)到接近系統設定的逐個脈沖限流保護的最大電流VCOMP(Max)。
然后,當系統進入到下一個開關周期,電感的起始激磁電流從接近于VCOMP(Max)值開始增加,理論上,當電感的電流(峰值電流)增加到等于VCOMP(Max)時,主開關管應該關斷。
實際工作過程中,電感的激磁電流變化率di/dt非常大,電感電流從起始值增加到VCOMP(Max)的時間非常短,遠小于LEB是200nS時間,那么,系統的電流檢測信號不會起作用,電感電流就會繼續保持增加,直到電感電流上升時間等于LEB時,系統才響應電流檢測信號,關閉主開關管,如圖3所示。

圖3? 輸出短路的電感電流波形
可以看到:在短路工作條件下,電感實際的工作電流已經大于系統設定的逐個脈沖限流保護值,因此,逐個脈沖限流功能無法提供有效的過流保護。
在一定過載范圍內,輸出電壓的跌落幅度不大,電感沒有飽和,系統占空比仍然在調節范圍內,逐個脈沖限流功能可以提供有效的保護。此時,系統在輸出過載電流下工作,溫度升高,對于單芯片集成的方案,溫度高于芯片的OTP保護點,系統就會停止工作。分立方案,芯片OTP功能無法提供這種保護。另外,OTP響應時間非常慢,無法提供瞬時短路動態大電流的保護。
逐個脈沖限流功能無法提供有效過流保護最主要原因在于以下2點:
1、輸出短路時,輸出電壓非常低,電感去磁電流變化率di/dt非常小,導致下一個開關周期開始時電感激磁的起始電流不斷增加,電感電流也不斷增加,I2>I1,極端情況下,電感有可能會飽和。
2、系統每個開關周期,主開關管都必須導通的一個最小的時間,即LEB時間,電感的激磁電流在這個時間段,會一直保持上升而不受控。電感飽和時,電感值L減少到非常低值,電感激磁的電流變化率di/dt會進一步急劇增加,在非常短的LEB時間內,電感電流急劇增加到非常高的值,直接導致系統損壞。

每個開關周期結束時,如果電感的去磁電流的最低值I2,能夠回到開關周期開始時,電感的激磁電流的起始值I1,那么電感的電流就不會一直增加。由電感電流去磁的公式,增加其去磁時間,也就是延長下管導通時間,直到電感電流下降到等于開關周期開始時的電流值,I1=I2‘,如圖4所示,這樣就可以實現這個功能,避免電感電流的不斷增。

圖4? 輸出短路頻率折返功能
下管導通時間Toff延長,Ts=Ton+Toff,系統工作的開關周期變大,工作頻率也就會降低,這種降低頻率的保護方法,稱為頻率折返功能Frequency Foldback。